CN113069315B - 机器人提供助力的方法、装置和康复机器人 - Google Patents

Abstract

本申请涉及康复训练器械技术领域，公开了一种机器人提供助力的方法。该机器人提供助力的方法包括：在机器人当前状态下，获得用户施加给机器人的第一力和机器人的实际速度，获得预设时长，获得实际速度与预设速度的速度差值，根据时长、速度与力的对应关系，确定与预设时长和速度差值相对应的第二力，根据第一力和第二力对机器人进行控制。采用该机器人提供助力的方法可提供更加准确的助力。本申请还公开一种机器人提供助力的装置和康复机器人。

Description

机器人提供助力的方法、装置和康复机器人

技术领域

本申请涉及康复训练器械技术领域，例如涉及一种机器人提供助力的方法、装置和康复机器人。

背景技术

康复训练是指损伤后进行有利于恢复或改善功能的身体活动。在康复训练过程中，用户通常需要在专业人员的指导下，完成一系列特定轨迹的特定动作。现有技术中的一些康复器械，可辅助用户更好地完成特定动作。例如用户可在上肢康复训练机器人、外骨骼机器人或并联机器人的辅助下完成特定动作，在用户完成特定动作的过程中，如果用户自身力量较弱，可通过康复器械提供助力，进而辅助用户完成特定动作。

例如，在一些现有技术中，当用户穿戴下肢助力外骨骼机器人开始运动时，通过大、小腿绑块上的压力传感器采集穿戴者的人机交互力信息，在根据采集到的人机交互力信息，判断穿戴者的运动意图，并将这种运动意图进行放大，再根据这种运动意图控制下肢助力外骨骼机器人，使下肢助力外骨骼机器人与用户的运动状态相同。

在实现本公开实施例的过程中，发现相关技术中至少存在如下问题：

康复机器人完成不同的特定轨迹需要的力是不同的，特定用户对康复机器人可施加的力是有限的，可见，康复机器人完成特定轨迹所需的力与用户施加的力之间的比例联系较差，现有技术提供助力的准确性较差。

发明内容

为了对披露的实施例的一些方面有基本的理解，下面给出了简单的概括。所述概括不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围，而是作为后面的详细说明的序言。

本公开实施例提供了一种机器人提供助力的方法、装置和康复机器人，以解决现有技术提供助力的准确性较差的技术问题。

在一些实施例中，机器人提供助力的方法包括：在机器人当前状态下，获得用户施加给所述机器人的第一力和机器人的实际速度；获得预设时长；获得所述实际速度与预设速度的速度差值；根据时长、速度与力的对应关系，确定与所述预设时长和所述速度差值相对应的第二力；根据所述第一力和所述第二力对所述机器人进行控制。

可选地，根据时长、速度与力的对应关系，确定与所述预设时长和所述速度差值相对应的第二力，包括：根据所述预设时长确定所述速度差值的积分值；根据所述积分值确定所述第二力。

可选地，根据所述预设时长确定所述速度差值的积分值，包括：获得预设系数；获得所述速度差值与所述设定系数的乘积；根据所述预设时长确定所述乘积的积分值。

可选地，获得预设系数，包括：根据系数与力的对应关系，确定与所述第一力相对应的预设系数。

可选地，根据所述预设时长确定所述速度差值的积分，包括：获得所述速度差值对所述预设时长的积分。

可选地，根据所述第一力和所述第二力对所述机器人进行控制，包括：获得所述第一力和所述第二力的合力；根据力和被控参数的对应关系，确定与所述合力相对应的预设被控参数；根据所述预设被控参数对机器人进行控制。

可选地，力和被控参数的对应关系包括：

其中，F为力，x为被控参数，M为机器人的期望惯性，B为机器人的期望阻尼。

可选地，获得预设时长，包括：如果所述第一力非零，则获得所述第一力已维持非零状态的持续时长；根据所述持续时长确定所述预设时长。

在一些实施例中，机器人提供助力的装置包括处理器和存储有程序指令的存储器，所述处理器被配置为在执行所述程序指令时，执行前述实施例提供的机器人提供助力的方法。

在一些实施例中，康复机器人包括前述实施例提供的机器人提供助力的装置。

本公开实施例提供的机器人提供助力的方法、装置和康复机器人，可以实现以下技术效果：

在该机器人提供助力的方法中，确定出的第二力(助力)与速度差值相关，可更好地反映机器人的运动状态，这样可更加准确地确定出的第二力，机器人在第二力的作用下可执行更加准确的动作，进而可更加准确地辅助用户完成一系列的特定动作。

以上的总体描述和下文中的描述仅是示例性和解释性的，不用于限制本申请。

附图说明

一个或一个以上实施例通过与之对应的附图进行示例性说明，这些示例性说明和附图并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件视为类似的元件，并且其中：

图1是本公开实施例提供的一种机器人提供助力的方法的示意图；

图2是本公开实施例提供的一种根据预设被控参数控制机器人的控制框图的示意图；

图3是本公开实施例提供的一种机器人提供助力的装置的示意图。

具体实施方式

为了能够更加详尽地了解本公开实施例的特点与技术内容，下面结合附图对本公开实施例的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本公开实施例。在以下的技术描述中，为方便解释起见，通过多个细节以提供对所披露实施例的充分理解。然而，在没有这些细节的情况下，一个或一个以上实施例仍然可以实施。在其它情况下，为简化附图，熟知的结构和装置可以简化展示。

本公开实施例的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开实施例的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

除非另有说明，术语“多个”表示两个或两个以上。

本公开实施例中的机器人指的是可以为提供助力的机器人，可以是康复机器人，还可以是具有其他辅助作用的机器人，例如辅助用户正常行走的机器人，或者，辅助用户搬运货物的机器人。本公开实施例中的机器人提供助力，指的是在用户想要完成一些动作，但是由于用户自身力量达不到而无法完成该动作的情况下，机器人为用户提供助力。例如，康复训练中用户的力量较弱，无法完成指定的训练动作，此时机器人可为用户提供助力，以辅助用户完成规定的训练动作。

图1是本公开实施例提供的一种机器人提供助力的方法的示意图。结合图1所示，机器人提供助力的方法包括：

S101、在机器人当前状态下，获得用户施加给机器人的第一力和机器人的实际速度。

这里的第一力指的是用户与机器人交互的力。例如，上肢康复机器人包括手托和活动板，手托设置在活动板上，手托可在活动板上滑动；在用户使用该上肢康复机器人的过程中，用户握住手托，完成一系列特定动作，实现康复训练的效果。在这种应用场景中，第一力为用户通过手对手托施加的力，可通过设置在手托上的力传感器检测获得。

这里的机器人的实际速度，指的是在用户与机器人的交互下，机器人的活动部位的实际速度。例如，在前述上肢康复机器人的应用场景中，机器人的实际速度指的是手托的实际速度。

S102、获得预设时长。

这里的预设时长，可以是预先设定的一时长，例如在机器人出厂时设定的一时长，还可以是在使用过程中，用户设定的一时长；该预设时长还可以是在机器人的运动过程中，按照预设方式获得的，例如：获得预设时长，包括：如果第一力非零，则获得第一力已维持非零状态的持续时长，根据持续时长确定预设时长。例如，将持续时长作为预设时长，或者，将持续时长放大或缩小一定比例，将放大或缩小后的持续时长作为预设时长。第一力非零，表示用户正试图移动机器人，例如用户试图移动前述上肢康复机器人上的手托，这样获得预设时长与用户操控机器人的过程相关，使后续过程中确定的第二力与用户操控机器人的过程相关，这样可确定出更加准确的第二力。

如果第一力为零，说明此时用户未操作机器人，此时机器人不提供助力。

S103、获得实际速度与预设速度的速度差值。

例如在康复机器人的应用场景中，这里的预设速度指的特定动作所要求的速度，用户按照该预设速度完成特定动作，可获得更好的训练效果。

S104、根据时长、速度与力的对应关系，确定与预设时长和速度差值相对应的第二力。

这里的时长泛指预设时长，这里的速度泛指速度差值，这里的力泛指第二力，可预先将时长、速度和力的以一一对应的方式存储在数据库中，在需要确定第二力的情况下，在数据库中查询预设时长和速度差值，即可获得与预设时长和速度差值相对应的第二力。

还可以预先以公式的形式存储时长、速度和力的对应关系，例如，根据时长、速度与力的对应关系，确定与预设时长和速度差值相对应的第二力，包括：根据预设时长确定速度差值的积分值，根据积分值确定第二力。在需要确定第二力的情况下，将预设时长和速度差值带入预先存储的公式中，即可获得与预设时长和速度差值相对应的第二力(数值)。第二力的方向与第一力的方向一致。这样第二力可起到助力的作用。

根据预设时长确定速度差值的积分值，可以实施为：获得速度差值对预设时长的积分值。

为了获得与用户操控机器人的过程的关系更加紧密的第二力，根据预设时长确定速度差值的积分值的过程还可以实施如下：获得预设系数，获得速度差值与设定系数的乘积，根据预设时长确定乘积的积分值。其中，根据预设时长确定乘积的积分值，可实施为：获得乘积对预设时长的积分值。

可选地，获得预设系数，包括：根据系数与力的对应关系，确定与第一力相对应的预设系数。这里的系数泛指预设系数，这里的力泛指第一力，系数与力的对应关系指的是系数与力的正相关关系，可先将系数与力以一一对应的形式存储在数据库中，在需要确定预设系数的情况下，在数据库中查询第一力，即可获得预设系数；或者，还可以预先以公式的形式存储系数与力的对应关系，在确定需要确定预设系数的情况下，将第一力带入预先存储的公式中，即可获得与第一力相对应的预设系数。

在具体应用中，预设系数主要包括两种情况：预设系数大于1或预设系数小于1，在预设系数大于1的情况下，表示对速度差值进行了放大处理；在预设系数小于1的情况下，表示对速度差值进行了缩小处理。可预先设定一阈值，在第一力大于阈值的情况下，预设系数大于1；在第一力小于阈值的情况下，预设系数小于1。

通过上述方式确定的预设系数，与用户与机器人交互的第一力具有对应关系，进一步地，通过上述方式确定的积分值与第一力也具有对应关系，再进一步地，可获得与第一力具有对应关系的第二力，这样有利于机器人为用户提供更加准确的助力。

S105、根据第一力和第二力对机器人进行控制。

可选地，根据第一力和第二力对机器人进行控制，包括：获得第一力和第二力的合力，根据力和被控参数的对应关系，确定与合力相对应的预设被控参数，根据预设被控参数对机器人进行控制。其中，这里的预设被控参数包括预设位置。

可选地，力和被控参数的对应关系包括：

其中，F为力，x为被控参数，M为机器人的期望惯性，B为机器人的期望阻尼。

其中，惯性是物体的一种固有属性，表现为物体对其运动状态变化的一种阻抗程度，质量是对物体惯性大小的量度；根据公式F＝ma，对物体施加的作用力一定时，物体质量越大，加速度越小，对运动的调节越慢，也就是说，机器人末端的接触力调节越慢，为了使机器人末端的接触力更快的达到期望的力，应选择更小的期望惯性M，本公开实施例对机器人的期望惯性M的具体数值不做限定，本领域技术人员可根据实际需求确定合适的期望惯性M。

阻尼指任何振动系统在振动中，由于外界作用或系统本身固有的原因引起的振动幅度逐渐下降的特性，以及此一特性的量化表征。阻尼的物理意义是力的衰减，或物体在运动中能量的消散，通俗地讲就是阻止物体继续运动。当物体受到外力作用而振动时，会产生一种使外力衰减的反力，称为阻尼力。作用力与阻尼力的比为阻尼系数。阻尼力的方向总是和运动速度相反，因此材料的阻尼系数越大，意味着其减震效果或阻尼效果越好。本公开实施例不对期望阻尼B的具体数值做限定，本领域技术人员可根据实际需求确定合适的期望阻尼B。

在该机器人提供助力的方法中，确定出的第二力(助力)与速度差值相关，可更好地反映机器人的运动状态，这样可更加准确地确定出的第二力，机器人在第二力的作用下可执行更加准确的动作，进而可更加准确地辅助用户完成一系列的特定动作。

图2是本公开实施例提供的一种根据预设被控参数控制机器人的控制框图的示意图。结合图2所示，将预设位置Pr(预设被控参数)与实际位置Pm的位置差值Pe输入至位置控制器21，位置控制器21输出预设速度Vr，将预设速度Vr和实际速度Vm的速度差值Ve输入速度控制器22，速度控制器22输出力矩τ，依据力矩τ对机器人23进行控制。

其中，上述位置控制器21可以是比例-积分-微分(Proportion IntegrationDifferentiation，PID)控制器，还可以是线性二次型调节器(Linear QuadraticRegulator，LQR)，本公开实施例对位置控制器21的具体类型不做具体限定，本领域技术人员根据实际需求选择合适类型的位置控制器21即可。

上述速度控制器22可以是PID控制器，还可以是LQR，本公开实施例对速度控制器22的具体类型不做具体限定，本领域技术人员根据实际需求选择合适类型的速度控制器22即可。

当然，在一些实际应用中，可将上述速度控制器22舍弃，只以一个位置控制器21对机器人进行控制(图中未示出)。图2仅是对根据预设被控参数控制机器人的过程的示例性说明，不对本申请中机器人提供助力的方法构成限定。

本公开实施例提供一种机器人提供助力的装置。

在一些实施例中，机器人提供助力的装置包括处理器和存储有程序指令的存储器，处理器被配置为在执行程序指令时，执行前述实施例提供的机器人提供助力的方法。

图3是本公开实施例提供的一种机器人提供助力的装置的示意图。结合图3所示，机器人提供助力的装置包括：

处理器(processor)31和存储器(memory)32，还可以包括通信接口(Communication Interface)33和总线34。其中，处理器31、通信接口33、存储器32可以通过总线34完成相互间的通信。通信接口33可以用于信息传输。处理器31可以调用存储器32中的逻辑指令，以执行前述实施例提供的机器人提供助力的方法。

此外，上述的存储器32中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

存储器32作为一种计算机可读存储介质，可用于存储软件程序、计算机可执行程序，如本公开实施例中的方法对应的程序指令/模块。处理器31通过运行存储在存储器32中的软件程序、指令以及模块，从而执行功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例中的方法。

存储器32可包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据终端设备的使用所创建的数据等。此外，存储器32可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器。

本公开实施例提供了一种康复机器人，包含前述实施例提供的机器人提供助力的装置。

本公开实施例提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令设置为执行前述实施例提供的机器人提供助力的方法。

本公开实施例提供了一种计算机程序产品，计算机程序产品包括存储在计算机可读存储介质上的计算机程序，计算机程序包括程序指令，当程序指令被计算机执行时，使计算机执行前述实施例提供的机器人提供助力的方法。

上述的计算机可读存储介质可以是暂态计算机可读存储介质，也可以是非暂态计算机可读存储介质。

本公开实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括一个或一个以上指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本公开实施例中方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质可以是非暂态存储介质，包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机读取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等多种可以存储程序代码的介质，也可以是暂态存储介质。

以上描述和附图充分地示出了本公开的实施例，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施例可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施例的部分和特征可以被包括在或替换其他实施例的部分和特征。而且，本申请中使用的用词仅用于描述实施例并且不用于限制权利要求。如在实施例以及权利要求的描述中使用的，除非上下文清楚地表明，否则单数形式的“一个”(a)、“一个”(an)和“所述”(the)旨在同样包括复数形式。另外，当用于本申请中时，术语“包括”(comprise)及其变型“包括”(comprises)和/或包括(comprising)等指陈述的特征、整体、步骤、操作、元素，和/或组件的存在，但不排除一个或一个以上其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或这些的分组的存在或添加。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法或者设备中还存在另外的相同要素。本文中，每个实施例重点说明的可以是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分可以互相参见。对于实施例公开的方法、产品等而言，如果其与实施例公开的方法部分相对应，那么相关之处可以参见方法部分的描述。

本领域技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，可以取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法以实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本公开实施例的范围。技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本文所披露的实施例中，所揭露的方法、产品(包括但不限于装置、设备等)，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，可以仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例。另外，在本公开实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

附图中的流程图和框图显示了根据本公开实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，模块、程序段或代码的一部分包含一个或一个以上用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这可以依所涉及的功能而定。框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

Claims (6)

1.一种机器人提供助力的方法，其特征在于，包括：

在机器人当前状态下，获得用户施加给所述机器人的第一力和机器人的实际速度；

如果所述第一力非零，则获得所述第一力已维持非零状态的持续时长；

将所述持续时长作为预设时长，或者，将所述持续时长放大或缩小一定比例，将放大或缩小后的持续时长作为预设时长；

获得所述实际速度与预设速度的速度差值；

根据所述预设时长确定所述速度差值的积分值；

根据所述积分值确定第二力；

获得所述第一力和所述第二力的合力；

根据合力和预设被控参数的对应关系，确定与所述合力相对应的预设被控参数；合力和预设被控参数的对应关系包括：，其中，/>为合力，/>为预设被控参数，/>为机器人的期望惯性，/>为机器人的期望阻尼；预设被控参数包括预设位置；

根据所述预设被控参数对机器人进行控制。

2.根据权利要求1所述的机器人提供助力的方法，其特征在于，根据所述预设时长确定所述速度差值的积分值，包括：

获得预设系数；

获得所述速度差值与所述预设系数的乘积；

根据所述预设时长确定所述乘积的积分值。

3.根据权利要求2所述的机器人提供助力的方法，其特征在于，获得预设系数，包括：

根据预设系数与第一力的对应关系，确定与所述第一力相对应的预设系数；其中，预设系数与第一力的对应关系指的是预设系数与第一力的正相关关系。

4.根据权利要求1所述的机器人提供助力的方法，其特征在于，根据所述预设时长确定所述速度差值的积分值，包括：

获得所述速度差值对所述预设时长的积分值。

5.一种机器人提供助力的装置，包括处理器和存储有程序指令的存储器，其特征在于，所述处理器被配置为在执行所述程序指令时，执行如权利要求1至4任一项所述的机器人提供助力的方法。

6.一种康复机器人，其特征在于，包括如权利要求5所述的机器人提供助力的装置。